[發(fā)明專利]基于星座旋轉(zhuǎn)的準正交空時分組碼的物理層安全傳輸方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201810315494.0
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108494463A
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發(fā)明（設計）人: 高明;張宇;葛建華;齊冉;林少興;劉剛
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04L1/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華

本發(fā)明公開一種基于星座旋轉(zhuǎn)的準正交空時分組碼的物理層安全傳輸方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)不能對發(fā)射端具有四根發(fā)射天線的系統(tǒng)進行通信保密的問題。其實現(xiàn)方案是：1)源節(jié)點采用四維星座旋轉(zhuǎn)的準正交空時分組碼對待發(fā)送信息進行空時編碼；2)源節(jié)點獲得目的節(jié)點反饋的信道狀態(tài)信息，利用奇異值分解計算出零空間的正交基，并構(gòu)造人工噪聲矩陣，生成復合信號并發(fā)送；3)目的節(jié)點接收復合信號，并消除接收信號中的人工噪聲；4)目的節(jié)點對接收信號進行譯碼并解調(diào)，得到解調(diào)信號。本發(fā)明降低了目的接收端的誤碼率，并通過人工噪聲的干擾增加竊聽端的誤碼率，提高了系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩裕捎糜诎l(fā)射端具有四根發(fā)射天線的保密通信系統(tǒng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進一步涉及通信物理層的安全傳輸方法，可用于發(fā)射端具有四根發(fā)射天線的保密通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著無線通信網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，無線安全受到了極大關(guān)注。無線傳輸從本質(zhì)上說是廣播的，即沒有物理邊界，因此目的接收點附近的任意接收端都能竊聽到傳輸信息。此外，無線節(jié)點在能量和帶寬上有更嚴格的限制，而且無線網(wǎng)絡有很多動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)。利用物理層安全技術(shù)可以直接處理這些特殊的無線特性，有助于提供邊界控制，提高效率，并協(xié)助上層安全技術(shù)來實現(xiàn)新的跨層安全設計。

美國數(shù)學家、信息論的奠基人香農(nóng)為安全通信的研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，有文獻研究了接收方和竊聽方有獨立信道的場景，并證明當竊聽信道的信道容量小于主信道時，可以保證安全通信。物理層安全中定義了保密容量的概念，即發(fā)射端能夠可靠傳輸保密信息給目的接收端而不會被竊聽端破譯的最大速率。然而如果竊聽方碰巧有一個優(yōu)于主信道的信道，則保密容量就會變成零，也就是無法保證安全通信。為了惡化竊聽信道，2005年R.Negi和S.Goel提出了發(fā)射端在主信道的零空間上發(fā)送人工噪聲的方法，能在完全不影響合法用戶通信的情況下降低竊聽信道的信噪比，從而達到安全通信的目的。研究表明，無論竊聽者在任何位置，使用人工噪聲都能保證最小的安全傳輸速率。

后來出現(xiàn)了將人工噪聲和波束成形技術(shù)結(jié)合起來的方案，但如果竊聽節(jié)點和接收節(jié)點在同一個區(qū)域，波束成形技術(shù)將不能提高信息的保密性。為了克服上述缺陷，文獻“Space Time Block Coding Aided Physical Layer Security in Gaussian MIMOChannels”將Alamouti空時分組碼與人工噪聲結(jié)合起來，提出了基于Alamouti空時分組碼的物理層安全傳輸方案，進一步提高了系統(tǒng)的保密性。但是該方法的不足之處是只適用于發(fā)射端具有兩根發(fā)射天線的通信系統(tǒng)。對于發(fā)射端具有四根天線的通信系統(tǒng)，目前尚未有一個基于空時分組碼來保證安全通信的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于星座旋轉(zhuǎn)的準正交空時分組碼的物理層安全傳輸方法，以解決發(fā)射端具有四根發(fā)射天線的通信系統(tǒng)中的安全傳輸問題。

本發(fā)明的技術(shù)思路是：通過源節(jié)點使用星座旋轉(zhuǎn)的準正交空時分組碼的碼字結(jié)構(gòu)對信息進行編碼，構(gòu)造出位于主信道零空間上的人工噪聲；通過源節(jié)點將由編碼信號和人工噪聲信號組成的復合信號發(fā)送出去；通過目的節(jié)點接收信號，在譯碼后獲得信息,其實現(xiàn)步驟包括如下：

(1)源節(jié)點S在發(fā)送端生成復合信號并發(fā)送：

(1a)源節(jié)點S采用四維星座旋轉(zhuǎn)的準正交空時分組碼對待發(fā)送信息進行空時編碼；

(1b)源節(jié)點S獲得目的節(jié)點D反饋回來的信道狀態(tài)信息h，利用奇異值分解，計算出h零空間的一個正交基Z_k，并取獨立同分布的復高斯隨機變量v_k，構(gòu)造出服從高斯分布的人工噪聲矩陣：w_k＝Z_kv_k；

(1c)源節(jié)點S根據(jù)(1a)和(1b)的結(jié)果生成復合信號，即該復合信號由采用星座旋轉(zhuǎn)的QOSTBC編碼后的信號和在主信道零空間內(nèi)傳輸?shù)娜斯ぴ肼暰仃噧刹糠謽?gòu)成，并將該復合信號發(fā)送出去；